MAQUINAS TÉRMICAS CICLOS TERMODINÁMICOS. Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas

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1 MAQUINAS TÉRMICAS CICLOS TERMODINÁMICOS CICLOS DE POTENCIA CICLOS DE REGRIGERACIÓN Máquina Térmica Refrigerador, Bomba de calor Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas Ciclo de Vapor: Recorre parte del ciclo en estado vapor y otra parte en estado líquido Ciclo cerrado: El fluido de trabajo regresa a su estado inicial al final del ciclo (ej. Vapor en una central Térmica) Ciclo abierto: El fluido de trabajo se renueva en cada ciclo. (ej. automovil) Máquinas Térmicas Combustión interna: Se quema el combustible dentro de la frontera del sistema Combustión externa: Uso de calderas, pozo geotérmico, reactor nuclear, sol.. (Centrales eléctricas) Los ciclos reales se aproximan a ciclos ideales, suponiendo: El ciclo no implica ninguna fricción Procesos de expansión y compresión son cuasiestáticos Tuberías que conectan las diferentes partes del sistema están bien aisladas Se ignoran los cambios de energía cinética y potencial del fluido de trabajo (excepto en toberas) Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 75

2 EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR EN INGENIERÍA η W NETO T = = L Q ABSORBIDO T H El ciclo de carnot es el ciclo reversible que tiene mayor rendimiento. Todos los ciclos reversibles que operen con las mimas dos fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento. Rendimiento aumenta con la diferencia de temperatura entre las dos fuentes Existen límites físicos para T H y T L El ciclo de Carnot podría llevarse a cabo en un sistema cerrado (cilindro-pintón) o bien en un sistema de flujo permanente (dos turbinas y dos compresores) INCONVENIENTES PARA SU EXACTA REALIZACIÓN PRÁTICA: En ciclos de gas: La transferencia de calor isotérma reversible es dificil de llevar a cabo en la realidad ya que requeriría tiempos muy largos En ciclos de vapor: Es difícil de encontrar la composición exacta de líquido que cierre el ciclo. Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 76

3 REAL IDEAL CICLO DE OTTO Máquina de Combustión Interna Ciclo ideal para las máquinas de encendido de chispa. Motor de Ignición REAL b 5 a 1 V min V max IDEAL Expansión V min V max Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 77

4 CICLO DE OTTO a - 1 Se abre la válvula de admisión, el pistón baja absorbiendo la mezcla fresca aire-gasolina. P aprox cte= 1atm 1-2 El pistón sube y comprime la mezcla adiabáticamente. 2 En Vmin de la mezcla, la chispa produce la combustión instantáneamente. 2-3 Aumenta la temperatura y la presión a v=cte 3-4 Expansión adiabática con realización de trabajo. Fase de Potencia 4-5 Se abre la válvua de escape, la presión cae a 1 atm. V=cte. 5 - b El pistón empuja los gases de combustión fuera a P=cte=1atm a - 1 Se abre la válvula...comienza el ciclo de nuevo No es exactamente un ciclo 1) Combustible no reutilizable 2) 5 - b y a - 1 no totalmente coincidentes Suposición para considerarlo ideal: Se realiza un ciclo Dos Isócoras y dos adiabáticas. Ciclo cerrado 1 η = r γ 1 r γ Índice adiabático v = max v Relación de compresión min Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 78

5 DIAGRAMA TS PARA EL CICLO DE OTTO Q abs = U 2 3 = nc v ( T 3 T 2 ) Q ced = U 4 1 = nc v ( T 4 T 1 ) Eficiencia Térmica de un ciclo de Otto ideal como función de la relación de compresión (γ=1.4) La eficiencia térmica aumenta con la relación de compresión Si la relación de compresión es excesivamente grande puede perjudicar la motor ya que se produce el autoencendido. (Durante la compresión se elevaría en exceso la temperatura) Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 79

6 MOTOR DE DOS TIEMPOS Idealmente sigue el mismo ciclo de Otto que el motor de cuatro tiempos. En el ciclo REAL durante la expansión adiabática (Tiempo de Potencia) se abre primero el puerto de escape y luego el de admisión. Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 80

7 CICLO DIESEL Encendido por compresión DIAGRAMA PV Y TS SE USAN MAS ALTAS RELACIONES DE COMPRESIÓN 1-2 compresión de aire 2-3 Se inyecta el combustible manteniendo la P=cte 3-4 Se cierra el inyector. Expansión adiabática. Tiempo de Potencia γ r 0 1 η = γ( r 0 1) η D < η otto r γ 1 v r 3 0 = v min Para la misma relación de compresión Para Diesel r D < r otto Al final tiene mayor η En los motores diesel la bujía se reemplaza por un inyector de combustible Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 81

8 CICLOS DE STIRLING Y ERICSSON Combustión externa Más similares al de Carnot ya que trabaja entre dos fuentes térmicas Diagramas TS y PV de los ciclos de Carnot, Stirling y Ericsson No son prácticos: Necesitarían la transferencia ideal de calor a T=cte Esto requeriría superficies muy grandes o un tiempo infinito Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 82

9 LA EJECUCIÓN DEL CICLO STIRLING 1-2 Expansión Istoterma. Se absorbe calor de la fuente a T H 2-3 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte 3-4 Compresión Isoterma, se cede calor a la fuente a T L 4-1 Ambos pistones se mueven a la misma velocidad manteniendo v=cte El regenerador se queda con el calor en 2 3 haciendo que el gas se enfríe este calor lo devuelve en 4 1 haciendo que se caliente UN MOTOR ERICSSON DE FLUJO PERMANENTE El fluido fluye de manera constante. La compresión y la expansión se produce en el compresor y en la turbina respectivamente El regenerador es ahora un intercambiador de calor a contraflujo Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 83

10 CICLO BRAYTON El ciclo ideal para los motores de turbina de gas. Ciclo abierto Motor de turbina de gas de ciclo abierto. REAL 1-2 Entra aire fresco en el compresor T y P aumentan 2-3 El combustible se quema a P=cte 3-4 Los gases de alta temperatura entran en la turbina donde se expanden hasta Patm. Producción de potencia Motor de turbina de gas de ciclo cerrado. Modelado del real. IDEAL Los procesos de compresión y expansión quedan iguales El proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a P=cte El proceso de escape se sustituye por uno de cesión de calor a presion constante hacia el aire ambiente Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 84

11 Diagramas T-s y P-v para el ciclo Brayton ideal 1-2 Compresión Isoentrópica 2-3 Adición de calor a P=cte 3-4 Expansión Isoentrópica 4-1 Cesión de calor a P=cte Q abs = H 2 3 = nc p ( T 3 T 2 ) Q ced = H 4 1 = nc p ( T 4 T 1 ) 1 η = ( γ 1) γ r p γ p r 2 p = ---- p 1 Índice adiabático Relación de presiones El rendimiento aumenta con la relación de presiones La temperatura más alta se consigue al final del proceso de combustión (estado 3) que está limitada por la máxima temperatura que los alabes de la turbina pueden soportar, este hecho limita la relación de presiones Las principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son: La propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 85

12 CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN A CHORRO En un motor de chorro, los gases de alta temperatura y alta presión que salen de la turbina se aceleran en una tobera para proporcionar el empuje. Diagrama T-s del ciclo turbochorro ideal Esencialmente es idéntico al de turbina de gas del ciclo Brayton. Difieren en que el gas en la turbina solo se expande parcialmente produciendo un trabajo que se emplea en accionar el compresor. La expansión final se produce en la tobera hasta la presión ambiente y salen del avión a alta velocidad. Componentes básicos de un motor de turbochorro Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 86

13 Analisis termodinámico en los motores de propulsión a chorro Estatoreactor T 1,p 1,v 1 entrada difusor cámara de combustión tobera salida T 2,p 2,v 2 difusor combustible ( h 2 h 1 ) ciclo ( v 2 2 v 1 ) = 0 1 T η = = γ 1 T 2 p γ p 1 v 1» v 2 2c η 1 p T 1 1 = v 1 p 1 /p 2 T 1 /T 2 η v/(kmh -1 ) Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 87

14 Motor de Turbopropulsión Motor de Estatorreactor Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 88

15 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Combustión externa. Flujo Permanente Diagrama T-s del ciclo de Carnot de vapor VENTAJAS: Isotermas coinciden con isóbaras Tc 1-2 Agua vaporiza a P y T ctes en la caldera 2-3 Expansión isoentrópica en la turbina 3-4 Condensación a P y T ctes en el condensador. Licua parte del vapor 4-1 Compresión isoentrópica en el compresor Dificultades Prácticas: La Temperatura máxima está limitada por la Tc del agua. Desgaste de la turbina debido a la cantidad del líquido que aparece durante la expansión Dificicultad de controlar durante la compresión el estado final No es práctico diseñar compresores que manejen dos fases Barato El fluido más usado es el agua Poco contaminante Buenas propiedades Termodinámicas Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 89

16 EL CICLO IDEAL RANKINE SIMPLE 1-2 Compresión isoetrópica en una bomba 2-3 Adición de calor a p=cte en una caldera 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina 4-1 Cesión de calor a p=cte en un condensador Basado en el ciclo de Carnot de vapor con las siguientes DIFERENCIAS El vapor saturado se sigue calentando en la caldera a p=cte hasta el estado 3, con ello en la expansión adiabática el vapor tiene mayor calidad (calidad=fracción molar) El vapor se lícua completamente en el proceso 4-1. La bomba sólo comprime ya agua líquida, hasta la presión de entrada en la caldera A la caldera se le denomina generador de vapor. En la turbina se produce el trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico El condensador es un intercambiador de calor que cede calor a un medio como un lago, un río o la atmósfera Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 90

17 ANÁLISIS ENERGÉTICO Ecuaciones de flujo permanente Se desprecian las variaciones de energía cinética y potencial q - w = h f - hi Por unidad de masa de vapor Bomba (q=0) w bomba = h 2 - h 1 Caldera (w=0) q absorbido = h 3 - h 2 Turbina (q=0) w turbina = h 3 - h 4 Condensador (w=0) q cedido = h 4 - h 1 w neto = q abs - q ced = w turb - w bomba DIAGRAMA MOLLIER h-s En procesos a p=cte Q = h En procesos a s=cte w = h Dentro de la curva de coexistencia coinciden las líneas p=cte y T=cte Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 91

18 Desviación del ciclo real de potencia de vapor del ciclo ideal Rankine Irreversibilidades Fricción del fluido Provoca caidas de presión Pérdidas de calor indeseadas Hay que aumentar el calor suministrado enla caldera El ciclo ideal de Rankine con recalentamiento Proceso de expansión sucede en dos etapas, ello mejora la calidad del vapor al final del proceso de expansión sin tener que aumetar la temperatura máxima de la caldera. Hay menos problemas de humedad en la turbina Mejora el rendimiento entre un 4 y un 5% Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 92

19 REFRIGERACIÓN En general los estudios realizados sobre máquinas térmicas que absorben calor para obtener trabajo pueden trasladarse a las máquinas frigoríficas que absorben trabajo para extraer calor y enfriar un recinto. Los ciclos frigoríficos pueden trabajar con gases o con una sustancia en equilibrio líquido vapor. La compresión de la sustancia puede ser realizarse de forma alternativa o rotativa. CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GASES W El aire se comprime adiabáticamente en un compresor (3) que puede ser alternativo o rotativo. El aire entra en un refrigerador (4) y se enfría. Posteriormente pasa al expansor (1) donde realiza un trabajo sobre el medio externo. Este trabajo se aprovecha en el turbocompresor para reducir su consumo. Finalmente pasa al intercambiador (2) donde se calienta y enfría el volumen (2) Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 93

20 CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Refrigeradores y Bombas de Calor T H Medio Caliente casa caliente T H e = Q L W R Q H <0 Q H <0 W<0 W<0 BC e = Q H > 1 W Q L >0 Q L >0 Q H > Q L T L Espacio Refrigerado Medio Frío T L Q H > W Ciclo inverso de Carnot Ciclo de refrigeración por compresión de vapor Esquema Diagrama Ts T<T H T>T L Refrigerador Bomba calor Q Q e = L = 1 e H = = Q H Q L T Q H Q L T H L T L T H Los rendimientos aumentan cuando disminuye la diferencia de T Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 94

21 CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR líquido a p alta vapor a p alta T amb <T 3 Mezcla a p baja vapor a p baja T 1 <T cong Ciclo de Rankine Inverso 1-2 Compresión isoentrópica del vapor 2-3 Cesión de calor por licuacíon del refrigerante a p=cte en el condensador 3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión hasta la presión del evaporador proceso irreversible 4-1 Absorción de calor a p=cte por evaporación del líquido e = h 1 h h 2 h 1 Refrigerador doméstico común T C T amb Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 95

22 SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE ADECUADO Alta entalpía de vaporización T v a P baja debe ser inferior a la temperatura del congelador T v a P alta debe ser superior a la temperatura del ambiente Pero la relación de presiones no debe ser excesivamente alta para no hacer demasiado trabajo en el compresor P alta debe ser superior al ambiente para que no se filtre aire No tóxico, no corrosivo, no inflamable. Bajo costo Detectabilidad en caso de fuga No dañar la capa de ozono Curva de vaporización Dióxido de azufre Cloruro de metilo Cloruro de etilo Altamente tóxicos Calor latente El amoniaco se ha usado durante mucho tiempo Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 96

23 BOMBA DE CALOR. DOBLE FUNCIÓN VAPOR A P VAPOR A P EXTERIOR EVAPORADOR CASA CONDENSADOR AIRE ACONDICIONADO VAPOR A P EVAPORADOR EXTERIOR VAPOR A P CASA CONDENSADOR La válvula de inversión invierte el sentido de la circulación, el condensador pasa a ser el evaporador en verano. Son útiles en lugares en los que la temperatura exterior en invierno no sea excesivamente baja. Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 97

24 LICUACIÓN DE GAS EN CASCADA. MÉTODO PICTET (1887) Es una combinación de varios ciclos frigoríficos por compresión de vapor T 1 H, P 1 H Los distintos agentes frigoríficos en cada ciclo tienen cada vez una temperatura de ebullición menor para la misma presión. T 2 L<T 1 L T 3 L <T2 L T 1 L, P 1 L T 2 H, P 2 H A alta presión la temperatura de ebullición del siguiente tiene que ser superior a la de ebullición del anterior a presión baja. T 2 L, P2 L T 3 H, P 3 H T 1 L <T2 H T 2 L<T 3 H T 3 L, P3 L T 4 H, P4 H El número de ciclos depende del gas que se desea licuar T T 4 L, P 4 L S Sustancia T v (K) Amoniaco Etileno Oxígeno Aire Nitrógeno Hidrógeno Helio Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 98

25 LICUACIÓN DE GASES. MÉTODO DE LINDE (1895) Es un dispositivo de flujo permanente que aprovecha el efecto Joule-Kelvin. Es un dispositivo mucho más compacto que el anterior. La licuación se consigue enfriando por estrangulación adiabática el gas previamente enfriado. Método iterativo. 1 Compresión en el compresor hasta la presión p 1 2 Enfriamiento con un agente frigorífico auxiliar 3 Válvula de expansión adiabática hasta que alcanza p 2 <p 1, enfriando el gas, si el estado de éste antes de la estrangulación estaba por debajo de la curva de inversión (η ij >0) 4 El gas enfriado recircula, ahora a menor temperatura, enfriando el gas que va por 3 hacia la válvula de estrangulamiento, por lo que la temperatura antes del estrangulamiento disminuye así que también disminuirá después de la expansión. Cada vez el gas está a menor temperatura y enfría al gas antes de la expansión, así, cada vez la temperatura es menor después de la expansión hasta que consigue la necesaria para licuar a la presión p 2 Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 99

26 REFRIGERADOR TERMOELÉCTRICO Si dos alambres de diferentes metales se unen en ambos extremos (soldauras) formando un circuito cerrado y se hace pasar una corriente a través de dicho circuito, aparece una diferencia de temperatura entre las soldaduras. Efecto Peltier. Es el efecto inverso al conocido efecto Seebeck: Cuando existe una diferencia de temperatura entre las uniones de dos materiales diferentes, una corriente fluye por el circuito creando una diferencia de potencial entre dichas soldaduras Metal A Q absorbido Q cedido - + Metal B REFRIGERADOR TERMOELÉCTRICO DE SEMICONDUCTOR MEDIO CALIENTE No tienen una eficiencia térmica grande Se usan para enfriar zonas pequeñas MEDIO FRÍO Tema 7 Ciclos de Potencia. Refrigeración 100

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